EP3894807A1 - Füllstandsmessgerät - Google Patents

Füllstandsmessgerät

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EP3894807A1
EP3894807A1 EP19805610.3A EP19805610A EP3894807A1 EP 3894807 A1 EP3894807 A1 EP 3894807A1 EP 19805610 A EP19805610 A EP 19805610A EP 3894807 A1 EP3894807 A1 EP 3894807A1
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EP
European Patent Office
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waveguide
semiconductor component
encapsulation
shf
radar
Prior art date
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EP19805610.3A
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English (en)
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EP3894807B1 (de
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Winfried Mayer
Klaus Feisst
Qi Chen
Ralf Reimelt
Thomas Blödt
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Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP3894807A1 publication Critical patent/EP3894807A1/de
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Publication of EP3894807B1 publication Critical patent/EP3894807B1/de
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/027—Constructional details of housings, e.g. form, type, material or ruggedness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/225—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles used in level-measurement devices, e.g. for level gauge measurement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/02—Waveguide horns

Definitions

  • field devices are generally used, which are used to record or influence process variables.
  • the functionality of the field devices is based on suitable measuring principles in order to record the corresponding process variables, such as level, flow, pressure, temperature, pH value, redox potential or conductivity.
  • process variables such as level, flow, pressure, temperature, pH value, redox potential or conductivity.
  • a wide variety of such field device types are manufactured and sold by Endress + Hauser.
  • Radar-based devices have been used to measure the fill level of containers
  • a key advantage of radar-based measurement methods is the ability to quasi fill the level
  • 26 GHz or 79 GHz measured.
  • the higher the frequency band the narrower the beam cone of the radar signal.
  • higher frequency bands are preferred in that a larger absolute frequency bandwidth can be used.
  • 79 GHz for example
  • Level measurement is possible, for example, with smaller connection flanges for attachment to the container. It is therefore desirable to check the level or
  • Operate distance measurement generally also at frequencies higher than 79 GHz (up to radar frequencies of 300 GHz).
  • High-frequency signals can be significantly attenuated even over short cable distances. For this reason, the efficient and reliable contacting of the semiconductor component using hybrid standard technologies is difficult with increasing frequency.
  • semiconductor components are used to generate or receive radar signals above 100 GHz in particular, of which the electrical
  • High-frequency signals are convertible. This means that hybrid signal routing is no longer necessary.
  • the radar signals are decoupled or coupled in via an appropriate primary radiator.
  • This is, for example, a planar antenna that is applied to the semiconductor component using micromechanical methods.
  • Such a semiconductor device is used, among others, in
  • the fill level measuring device can be made more compact overall.
  • known circuit components can be implemented in the semiconductor component: in the case of FMCW, the high-frequency signal can be used for the radar signals to be transmitted are generated by means of a PLL (“phase locked loop”); The received radar signal can be mixed with the one to be transmitted
  • High-frequency signal are mixed, so that the distance or level can be determined from the so-called difference frequency of the mixed signal.
  • An appropriately designed evaluation block can determine the difference frequency, for example by means of an FFT (“Fast Fourier Transformation”) of the mixed signal.
  • the radar signal cannot be radiated directly from the semiconductor component, at least in the case of level measurement, since the radiation from the primary radiator
  • the invention is therefore based on the object of a radar-based
  • the invention solves this problem by means of a radar-based level measuring device, which comprises at least the following:
  • a dielectric waveguide which is preferably made of an insulation material with a dielectric value of greater than 1 (in particular HDPE or PTFE), the waveguide being contacted with the semiconductor component in such a way that the high-frequency signals as radar signals in
  • An advantage of the fill level measuring device according to the invention is that the hermetic and... In particular due to the partial guidance of the radar signal in the waveguide
  • the fill level measuring device according to the invention has the advantage that, in particular, the encapsulation spaced apart from the waveguide enables efficient coupling and decoupling of the radar signals without reducing the protection of the semiconductor component against thermal stress.
  • the level measuring device can therefore be operated in an energy-efficient manner. Because of the implementation of the semiconductor device
  • the level measuring device can be designed compactly without the
  • the level meter can be designed flexibly depending on the area of application.
  • the waveguide can be dimensioned with a length of at least 3 cm, in particular more than 8 cm, in order to thermally decouple the semiconductor component and any other electronics from the antenna.
  • the coupling and decoupling of the radar signals can be further optimized if the encapsulation is designed so that the cavity between the
  • Waveguide and the encapsulation has a distance of at least twice the wavelength of the radar signals.
  • the waveguide can be fixed to the semiconductor component by an electromagnetic shielding of the circuit board inside the encapsulation encapsulation
  • the semiconductor component is thus shielded and the waveguide is fixed by the same component. If the semiconductor component is arranged on a circuit board, the
  • the producibility of the level measuring device can be simplified by designing the waveguide in two parts in such a way that the waveguide is in the region of the
  • Shielding is divided into a first segment and a second segment.
  • a possible housing of the fill level measuring device can be designed such that at least the semiconductor component, the waveguide and the encapsulation encapsulation are enclosed by the housing, the antenna having to be fastened outside the housing.
  • a bushing For the coupling and decoupling of the radar signals between the inside of the housing and the outside, a bushing must accordingly be provided in the housing.
  • Such an implementation can preferably be designed so that the
  • Waveguide is fixed towards the antenna in such a way that the radar signals are coupled into the antenna or into the waveguide with little loss.
  • the bushing can also be designed to be self-centering with respect to the waveguide.
  • Fig. 1 A typical arrangement of a radar-based level meter on a container
  • FIG. 1 For a basic understanding of the invention, a typical arrangement of a radar-based fill level measuring device 1 on a container 2 is shown in FIG. 1.
  • the level measuring device 1 is connected to a higher-level unit 4, for example a process control system or a decentralized database, via a bus system, for example “Ethernet”, “PROFIBUS”, “HART” or “Wireless HART”.
  • a bus system for example “Ethernet”, “PROFIBUS”, “HART” or “Wireless HART”.
  • Level meter 1 are communicated. However, information about the fill level L can also be transmitted via the bus system in order to control any inflows or outflows at the container 2.
  • the level measuring device 1 shown in FIG. 1 is designed as a freely radiating device, it comprises a corresponding antenna 12.
  • the Antenna 12 is designed especially as a horn antenna at radar frequencies below 60 GHz.
  • the antenna 12 is oriented such that radar signals SHF are emitted in the direction of the filling material 3.
  • the radar signals SHF are reflected on the surface of the filling material 3 and, after a corresponding signal delay, by the antenna 12 of the
  • Level meter 1 received as reflected radar signals EHF. Since the
  • the opening angle of the beam cone, at which the radar signals SHF are transmitted, or at which the reflected radar signals EHF are received, depends not only on the dimensioning of the horn antenna 12, but also on the frequency of the radar signals SHF, EHF.
  • a narrow opening angle reduces the risk of generating interfering reflections inside the container, which could be misinterpreted as a level echo.
  • the frequency of the level of resolution that can potentially be achieved also depends on the frequency, at least if the level measuring device works using the FMGW method. Here too, the higher the frequency, the higher the potentially achievable resolution of the level value.
  • FIG. 2 A schematic structure of the level measuring device according to the invention, which can operate at radar frequencies of more than 100 GHz and takes advantage of the associated advantages, is shown in FIG. 2:
  • the core of the level measuring device 1 according to the invention is a semiconductor component 10, which, depending on the measuring principle implemented (FMGW or pulse transit time principle), can generate or process corresponding high-frequency signals SHF, eHF with frequencies up to 160 GHz or more.
  • FMGW measuring principle implemented
  • the high-frequency signal SHF to be transmitted is generated, for example, by means of an oscillator (for example designed as a “voltage controlled oscillator”), which is regulated by PLL (“phase locked loop”).
  • an oscillator for example designed as a “voltage controlled oscillator”
  • PLL phase locked loop
  • the semiconductor component 10 on the receiving side can comprise a mixer for mixing the high-frequency signal SHF currently to be emitted with the currently received high-frequency signal e HF .
  • This is used in order to be able to determine the distance d to the filling material 3 or the filling level L from the mixed signal in a corresponding circuit block of the semiconductor component 10, for example by means of an FFT (“Fast Fourier Transformation”) using the frequency of the mixed signal.
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • the high-frequency component 1, the semiconductor component 10 is arranged on a circuit board 15.
  • the power supply of the semiconductor component 10 and also any data transfer to the higher-level unit 4 takes place via the printed circuit board 15. Because the generation and processing of the high-frequency signals SHF, CHF takes place entirely on the semiconductor component 10, no high-frequency signals have to be led to the printed circuit board 15 . This eliminates lossy, hybrid connection lines.
  • the semiconductor component 10 converts the high-frequency signals SHF into a radar signal SHF, for example via a primary radiator (not explicitly shown in FIG. 2)
  • the cross-sectional shape (for example circular or rectangular) and the cross-sectional dimensions of the waveguide 11 a, b are to be adapted to the frequency or the desired mode of the radar signal SHF, RHF to be transmitted / coupled.
  • the two edge lengths of the rectangle can, for example, be designed such that they have an edge length ratio of 2: 1.
  • the first edge length can each be dimensioned with a third of the wavelength of the high-frequency signal SHF, RHF, the second edge length can be designed with 2/3 of the wavelength.
  • the material of the waveguide must be chosen accordingly with regard to the dielectric constant. Since a dielectric constant of at least approximately 1.5 is advantageous for the waveguide, HDPE or PTFE in particular are suitable as the material for the waveguide 11 a, b.
  • the encapsulation of the semiconductor component 10 is to be adapted so that between the
  • Waveguide 1 1 a, b and the primary radiator a corresponding waveguiding contact is possible.
  • a potting encapsulation can be used in which the surface of the primary radiator is left out.
  • the semiconductor component 10 can thus be designed, for example, as a correspondingly modified DIP (“dual in-line package”) or QFN (“quad flat no leads package”) component.
  • DIP dual in-line package
  • QFN quad flat no leads package
  • the waveguide 1 1 a, b is fixed in relation to the semiconductor component 10 in the exemplary embodiment of the fill level measuring device 1 according to the invention shown in FIG. 2 by means of a shield 16.
  • the shield 16 is designed as a cap and is attached to the printed circuit board 15 in such a way that it covers the semiconductor device 10 on the circuit board 15. To achieve the shielding effect, it is necessary at least the
  • the shield 16 can be made entirely of a metal, for example.
  • a coated plastic substrate could also be used as a cap, in which the metallic coating is applied, for example, by PVD (“Physical Vapor Deposition”).
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • a potting encapsulation 13 is arranged radially around the waveguide 11 a, b outside the shield 16. According to the invention, the waveguide 1 1 a, b is thereby encapsulated such that a defined cavity 14 is formed between the waveguide 1 1 a, b and the encapsulation encapsulation 13.
  • the encapsulation 13 is structured such that it extends radially from the waveguide 1 1 a, b a distance r of at least that
  • the encapsulation 13 can be structured, for example, by means of a corresponding encapsulation cup around the waveguide 11 a, b, which defines the structure of the encapsulation 13 during encapsulation.
  • the encapsulation 13 also encloses the surface of the printed circuit board 15 facing away from the semiconductor component 10
  • the outer surface 21 of the encapsulation 13, as shown in FIG. 2, can also be designed to be electromagnetically shielding in order to achieve improved electromagnetic compatibility.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • a separate, metallic casting cup can be used.
  • the waveguide 1 1 a, b opens into a horn antenna 12.
  • the horn antenna 12 is located on the outside of the housing 17 of the
  • Level measuring device 1 in which the circuit board 15 with the semiconductor component 10, the waveguide 1 1 a, b and the shield 16 are housed.
  • the waveguide 1 1 a, b towards the horn antenna 12 comprises the housing 17
  • corresponding implementation 18 for the waveguide 1 1 a, b can also be designed in such a way that the waveguide 1 1 a, b is automatically centered during assembly.
  • a window 19 is placed between the waveguide 11a, b and the horn antenna 12 at the level of the leadthrough 18 that is transparent to the radar signals SHF, EHF is. Accordingly, it can be made of a glass or a ceramic and can be fixed, for example, by gluing, welding or another melting joining process.
  • the window 19 is preferably made of electrically non-suffering material with a dielectric value of greater than 1. In terms of strength, the window 19 should also ideally be designed so that it can withstand an absolute pressure of at least 100 bar.
  • a filling 20 is introduced into the entire interior of the horn antenna 12.
  • the filling 20 consists of an electrically insulating material. Due to the effect of the filling 20 as a dielectric, the design of the horn antenna 12 must be adapted accordingly to the dielectric.
  • An advantage of the inventive guiding of the radar signals SHF, EHF between the semiconductor component 10 and the horn antenna 13 by means of the waveguide 11 a, b is that the distance between the circuit card 15 and the horn antenna 12 can be dimensioned as required.
  • the waveguide can be dimensioned, for example, with a length of up to 8 cm or more, so that the electronic components on the circuit board are thermally corresponding to the climate in the Container 3 are decoupled.
  • the waveguide 1 1 a, b can be constructed in two parts for the purpose of simplified modular production of different variants of the fill level measuring device 1 according to the invention.
  • the waveguide 1 1 a, b is therefore divided at the level of the shield 16 into a first segment 1 1 a facing the semiconductor 10 and a second segment 1 1 b, that of the horn antenna 12 is facing.
  • SHF unimpeded transmission of the radar signals
  • EHF EHF along the resulting contact point between the
  • Segments 1 1 1 a, 1 1 b it is advantageous if the segments 1 1 a, 1 1 b are connected to one another at least by a static contact pressure. It is also possible to glue this contact point with an adhesive which is transparent for the radar signals SHF, EHF.
  • the waveguide 1 1 a, b can alternatively be designed with a curved course, preferably with a rectangular cross section. For this purpose, it is advantageous in the course of production if the waveguide 1 1 a, b is made from a flexible material.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät (1), folgende Komponenten umfassend: Eine Halbleiterbauteil (10) zur Erzeugung elektrischer Hochfrequenz-Signale (sHF, eHF) bzw. zur Bestimmung des Füllstandswertes (L) anhand der empfangenen Hochfrequenzsignale (eHF); Einen dielektrischen Wellenleiter (11a, b), der derart mit dem Halbleiterbauteil (10) kontaktiert ist, um die Hochfrequenz-Signale (sHF) als Radar-Signale (SHF) in eine Antenne (12) einzukoppeln, und/oder um empfangene Radar-Signale (EHF) aus der Antenne (12) als elektrische Signale (eHF) in das Halbleiterbauteil (10) einzukoppeln; Eine Vergusskapselung (13), die zumindest den Wellenleiter (11a, b) radial derart kapselt, dass zwischen dem Wellenleiter (11a,b) und der Vergusskapselung (13) ein definierter Hohlraum (14) ausgebildet ist. Vorteilhaft an diesem Aufbau ist, dass gerade bei hohen Radar-Frequenzen eine effiziente Ein- und Auskopplung der Radar-Signale (SHF, EHF) ermöglicht wird. Somit kann das Füllstandsmessgerät (1) Energie-effizient betrieben werden. Durch die Implementierung des Halbleiterbauteils bzw. der hohen Radar-Frequenzen ist das Füllstandsmessgerät (1) zum anderen kompakt auslegbar, ohne dass die Bündelung der Radar-Signale (SHF, EHF) vermindert wird.

Description

Füllstandsmessgerät
Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmessgerät zur Messung des Füllstandes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden allgemein Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Hierzu basiert die Funktionsweise der Feldgeräte auf jeweils geeigneten Messprinzipien, um die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH- Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit zu erfassen. Verschiedenste solcher Feldgeräte- Typen werden von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich Radar-basierte
Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Dabei werden unter dem Begriff„Behälter im Rahmen der Erfindung auch nicht-abgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden. Ein zentraler Vorteil Radar-basierter Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi
kontinuierlich messen zu können. Im Kontext dieser Patentanmeldung bezieht sich der Begriff„Radar“ auf Mikrowellensignale mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz.
Im Fall von Radar-basierter Füllstandsmessung bildet das Pulslaufzeit-Prinzip ein etabliertes Messprinzip. Hierbei werden pulsförmige Mikrowellensignale zyklisch in Richtung des Füllguts ausgesandt und die Laufzeit bis zum Empfang des entsprechenden pulsförmigen Empfangssignals gemessen. Auf Basis dieses Messprinzips können Füllstandsmessgeräte mit vergleichsweise geringem schaltungstechnischem Aufwand realisiert werden. Sofern eine komplexere Schaltungstechnik in Kauf genommen werden kann, bietet sich zur Radar-basierten Füllstandsmessung auch FMCW („Frequency Modulated Continuous Wave“) als Messprinzip an. Das Funktionsprinzip von FMCW- und Pulsradar- basierten Füllstandsmessgeräten wird beispielsweise in„Radar Level Measurement“; Peter Devine, 2000 beschrieben.
Im Bereich der Füllstandsmessung wird vorwiegend bei Radar-Frequenzen von 6 GHz,
26 GHz oder 79 GHz gemessen. Generell gilt, dass der Strahlkegel des Radar-Signals umso schmaler ist, je höher das Frequenzband gewählt wird. Außerdem sind zumindest bei FMCW höhere Frequenzbänder insofern bevorzugt, als dass eine größere absolute Frequenz-Bandbreite genutzt werden kann. Bei 79 GHz wird beispielsweise eine
Bandbreite von 4 GHz genutzt, also von 76 GHz bis 80 GHz. Durch eine höhere
Bandbreite kann wiederum eine höhere Auflösung der Abstandsmessung erreicht werden. Insbesondere bei der Füllstandsmessung stellt dies eine wichtige Anforderung dar, da je nach Anwendung eine möglichst genaue Kenntnis des Füllstandes erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung hoher Frequenzen besteht darin, dass das Radar-basierte Abstandsmessgerät mit einer kompakteren Antenne ausgestattet werden kann, ohne dass die Bündelungs-Wirkung der Antenne vermindert wird. Bei der
Füllstandsmessung werden dadurch beispielsweise verkleinerte Anschluss-Flansche zur Anbringung am Behälter möglich. Daher ist es erstrebenswert, Füllstands- bzw.
Abstandsmessung im Allgemeinen auch bei höheren Frequenzen als 79 GHz (bis hin zu Radarfrequenzen von 300 GHz) zu betreiben.
Das elektrische Hochfrequenz-Signal, mittels dem das Radar-Signal erzeugt wird, kann bei Frequenzen von über 100 GHz nicht mehr über hybride Verbindungstechnologien zwischen dem Halbleiterbauteil, mit dem das entsprechende elektrische Hochfrequenz- Signal erzeugt wird, und der Leiterkarte, auf dem das Halbleiterbauteil platziert ist, geführt werden. Da die Dimensionen der Verbindungsstrukturen wie Bonddrähte oder Lötstellen zu den jeweiligen elektronischen Bauteilen in der Größenordnung der Wellenlänge der Radar-Signale liegen, stören diese Verbindungsstrukturen als parasitäre Elemente das Übertragungsverhalten. Darüber hinaus verursachen viele der in der Elektronik üblichen Werkstoffe mit der Frequenz steigende Verluste, durch welche die elektrischen
Hochfrequenz-Signale schon über kurze Leitungs-Distanzen erheblich gedämpft werden. Die leistungsfähige und zuverlässige Kontaktierung des Halbleiterbauteils mittels hybrider Standardtechnologien ist aus diesem Grund mit zunehmender Frequenz schwierig.
Daher werden zur Erzeugung bzw. zum Empfang von Radar-Signalen oberhalb von insbesondere 100 GHz Halbleiterbauteile eingesetzt, von denen das elektrische
Hochfrequenz-Signal unmittelbar als Radar-Signal ausgekoppelt werden kann, bzw. mit denen eingehende Radar-Signale unmittelbar in entsprechende elektrische
Hochfrequenz-Signale umwandelbar sind. Somit ist eine hybride Signalführung nicht mehr erforderlich. Die Aus- bzw. Einkopplung der Radar-Signale erfolgt in diesem Fall über einen endsprechenden Primärstrahler. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine Planar-Antenne, die mittels mikromechanischer Verfahren auf dem Halbleiterbauteil aufgebracht ist. Ein solches Halbleiterbauteil wird unter anderem in der
Veröffentlichungsschrift DE 10 2015 1 19 690 A1 beschrieben. Somit wird vermieden, dass die elektrischen Hochfrequenz-Signale über externe Leiterkarten, Lötverbindungen oder Bonddrähte geführt werden müssen. Dies vermindert gerade bei hohen Frequenzen die Leistungsfähigkeit und Störanfälligkeit des Abstandsmessgerätes. Vorteilhaft an einer monolithischen Realisierung ist zudem, dass sowohl die Signal-
Erzeugung, als auch die Signal-Auswertung im gleichen Halbleiterbauteil realisiert werden können, so dass das Füllstandsmessgerät insgesamt kompakter ausgelegt werden kann. Zur Realisierung der Signal-Erzeugungseinheit bzw. der Signal-Auswertungseinheit können je nach Messverfahren bekannte Schaltungskomponenten im Halbleiterbauteil implementiert werden: Im Fall von FMCW kann das Hochfrequenz-Signal für das auszusendende Radar-Signal mittels einer PLL („Phase Locked Loop“) erzeugt werden; Das empfangene Radar-Signal kann per Mischer mit dem auszusendenden
Hochfrequenz-Signal gemischt werden, so dass aus der so genannten Differenz- Frequenz des gemischten Signals der Abstand bzw. Füllstand ermittelt werden kann. Ein entsprechend ausgelegter Auswertungsblock kann die Differenz-Frequenz beispielsweise mittels einer FFT („Fast Fourier Transformation“) des gemischten Signals ermitteln.
Das direkte Abstrahlen des Radar-Signals vom Halbleiterbauteil aus ist jedoch zumindest bei Füllstandsmessung nicht möglich, da die Abstrahlung vom Primärstrahler
weitestgehend ungerichtet erfolgt. Naheliegend ist die Bündelung der Abstrahlung über eine dielektrische Linse. Eine effiziente Ausleuchtung einer solchen Linse kann jedoch nur dann erfolgen, wenn entweder der Primärstrahler eine hinreichende Strahlbündelung aufweist oder die Linse direkt auf dem Halbleiterbauteil aufgesetzt wird. Ein stark bündelnder Primärstrahler weist jedoch den Nachteil auf, dass hierfür eine entsprechend große Chipfläche auf dem Halbeiterbauteil vorgehalten werden muss. Eine direkt auf dem Primärstrahler aufgesetzte Linse hat wiederum den Nachteil, dass dadurch auch das Halbleiterbauteil mittelbar dem Füllgut bzw. der Umwelt ausgesetzt ist bezüglich mechanischer und thermischer Belastung. Eine hiergegen schützende Kapselung, bspw. in Form eines druckfesten Fensters, ist nahe des Halbleiterbauteils fertigungstechnisch wiederum nur sehr schwierig zu realisieren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Radar-basiertes
Füllstandsmessgerät bereitzustellen, das für hohe Radarfrequenzen ausgelegt ist und unter harschen Umgebungsbedingungen einsetzbar ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät, das zumindest folgende umfasst:
Ein Halbleiterbauteil, das ausgelegt ist,
o um elektrische Hochfrequenz-Signale vorzugsweise mit einer Frequenz von zumindest 100 GHz zu erzeugen und/oder entsprechende
Hochfrequenz-Signals zu empfangen, und
o um anhand von zumindest den empfangenen Hochfrequenzsignalen einen Füllstandswert zu bestimmen,
einen dielektrischen Wellenleiter, der vorzugsweise aus einem Isolationsmaterial mit einem Dielektrizitätswert von größer als 1 (insbesondere HDPE oder PTFE) gefertigt ist, wobei der Wellenleiter derart mit dem Halbleiterbauteil kontaktiert ist, um die Hochfrequenz-Signale als Radar-Signale in
eine Antenne einzukoppeln, und/oder um empfangene Radar-Signale aus der Antenne als elektrische Signale in das Halbleiterbauteil einzukoppeln, eine Vergusskapselung, die zumindest den Wellenleiter radial derart kapselt, dass zwischen dem Wellenleiter und der Vergusskapselung ein definierter Hohlraum ausgebildet ist. Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerät ist, dass insbesondere durch die partielle Führung des Radar-Signals im Wellenleiter die hermetische und
druckfesteste Kapselung zum Füllgut hin weit beabstandet von dem empfindlichen Halbleiterbauteil realisiert werden kann. Dadurch wird die Fertigbarkeit des
Füllstandsmessgerätes vereinfacht. Auf der anderen Seite bietet das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät den Vorteil, dass insbesondere durch die vom Wellenleiter beabstandete Vergusskapselung eine effiziente Ein- und Auskopplung der Radar-Signale ermöglicht wird, ohne dass der Schutz des Halbleiterbauteils vor thermischer Belastung vermindert wird. Somit kann das Füllstandsmessgerät zum einen Energie-Effizient betrieben werden. Durch die Implementierung des Halbleiterbauteils ist das
Füllstandsmessgerät zum anderen kompakt auslegbar, ohne dass die
Bündelungswirkung der Antenne vermindert wird. Dabei kann das Füllstandsmessgerät je nach Einsatzgebiet flexibel ausgelegt werden.
So kann beispielsweise für Hochtemperaturanwendungen der Wellenleiter mit einer Länge von zumindest 3 cm, insbesondere mehr als 8 cm, bemaßt werden, um das Halbleiterbauteil und etwaige weitere Elektronik thermisch von der Antenne zu entkoppeln. Die Ein- und Auskopplung der Radar-Signale kann weiter optimiert werden, wenn die Vergusskapselung so ausgelegt ist, dass der Hohlraum zwischen dem
Wellenleiter und der Vergusskapselung einen Abstand von mindestens dem Zweifachen der Wellenlänge der Radar-Signale aufweist.
Sofern das Halbleiterbauteil auf einer Leiterkarte angeordnet ist, kann hierüber die Fixierung des Wellenleiters am Halleiterbauteil erfolgen, indem auf der Leiterkarte innerhalb der Vergusskapselung eine elektromagnetische Schirmung des
Halbleiterbauteils angebracht wird. Dabei fixiert die Schirmung den Wellenleiter zum Halbleiterbauteil hin in der Form, dass die Radar-Signale verlustminimiert in den
Wellenleiter bzw. in das Halbleiterbauteil einkoppelbar sind. Somit erfolgt die Schirmung des Halbleiteiterbauteils und die Fixierung des Wellenleiters durch dasselbe Bauteil. Sofern das Halbleiterbauteil auf einer Leiterkarte angeordnet ist, kann zudem die
Vergusskapselung so konzipiert werden, dass zusätzlich die vom Halbleiterbauteil abgewandte Fläche der Leiterkarte gekapselt wird. Somit sind auch etwaige elektronische Komponenten, die auf der Leiterkarten-Rückseite angeordnet sind, von der
Vergusskapselung erfasst. Bei Konzipierung des Füllstandsmessgerätes mit der zuvor beschriebenen Schirmung kann die Fertigbarkeit des Füllstandsmessgerätes vereinfacht werden, indem der Wellenleiter derart zweiteilig ausgelegt ist, dass der Wellenleiter im Bereich der
Schirmung in ein erstes Segment und ein zweites Segment untergliedert wird.
Ein mögliches Gehäuse des Füllstandsmessgerätes kann so ausgelegt werden, dass zumindest das Halbleiterbauteil, der Wellenleiter und die Vergusskapselung von dem Gehäuse umschlossen werden, wobei die Antenne außerhalb des Gehäuses befestigt zu sein hat. Zur Aus- und Einkopplung der Radar-Signale zwischen dem Gehäuse-Inneren und dem Äußeren ist dementsprechend eine Durchführung im Gehäuse vorzuhalten. Eine solche Durchführung kann dabei vorzugsweise so konzipiert werden, dass der
Wellenleiter derart zur Antenne hin fixiert wird, so dass die Radar-Signale verlustarm in die Antenne bzw. in den Wellenleiter einkoppelt werden. Zwecks vereinfachter Fertigung des Füllstandsmessgerätes kann auch die Durchführung bezüglich des Wellenleiters selbstzentrierend ausgelegt werden.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : Eine typische Anordnung eines Radar-basierten Füllstandsmessgerätes an einem Behälter, und
Fig. 2: eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes.
Zum grundsätzlichen Verständnis der Erfindung ist in Fig. 1 eine typische Anordnung eines Radar-basierten Füllstandsmessgerätes 1 an einem Behälter 2 gezeigt. In dem
Behälter 2 befindet sich ein Füllgut 3, dessen Füllstand L durch das Füllstandsmessgerät 1 zu bestimmen ist. Dazu ist das Füllstandsmessgerät 1 oberhalb des maximal zulässigen Füllstands L am Behälter 2 angebracht. Je nach Einsatzgebiet kann die Einbauhöhe h des Füllstandsmessgerätes 1 über dem Behälterboden bis zu mehr als 100 m betragen.
In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über ein Bussystem, etwa„Ethernet“, „PROFIBUS“,„HART“ oder„Wireless HART“ mit einer übergeordneten Einheit 4, beispielsweise einem Prozessleitsystem oder einer dezentralen Datenbank verbunden. Hierüber können zum einen Informationen über den Betriebszustand des
Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden. Über das Bussystem können jedoch auch Informationen über den Füllstand L übermittelt werden, um gegebenenfalls am Behälter 2 vorhandene Zu- oder Abflüsse zu steuern.
Da das in Fig. 1 dargestellte Füllstandsmessgerät 1 als frei abstrahlendes Gerät ausgelegt ist, umfasst es eine entsprechende Antenne 12. Wie angedeutet, ist die Antenne 12 vor allem bei Radar-Frequenzen unterhalb von 60 GHz als Hornantenne ausgelegt. Dabei ist die Antenne 12 so ausgerichtet, dass Radar-Signale SHF in Richtung des Füllgutes 3 ausgesendet werden. An der Oberfläche des Füllgutes 3 werden die Radar-Signale SHF reflektiert und nach einer korrespondierenden Signallaufzeit durch die Antenne 12 des
Füllstandsmessgerätes 1 als reflektierte Radar-Signale EHF empfangen. Da die
Signallaufzeit von der Entfernung d = h - L des Füllstandsmessgerätes 1 zur Füllgut- Oberfläche abhängt, lässt sich anhand der Signallaufzeit der Füllstand bestimmen.
Der Öffnungswinkel des Strahlkegels, unter dem die Radar-Signale SHF ausgesendet werden, bzw. unter dem die reflektierten Radar-Signale EHF empfangen werden, hängt neben der Dimensionierung der Hornantenne 12 von der Frequenz der Radar-Signale SHF, EHF ab. Je höher die Frequenz ist, desto enger ist der Öffnungswinkel. Ein enger Öffnungswinkel verringert die Gefahr, Störreflektionen im Behälter-Inneren zu erzeugen, die fälschlicherweise als Füllstands-Echo interpretiert werden könnten. Von der Frequenz hängt außerdem die potentiell erreichbare Auflösung des Füllstandes ab, zumindest sofern das Füllstandsmessgerät mittles des FMGW-Verfahrens arbeitet. Auch hier gilt, je höher die Frequenz, desto höher die potentiell erzielbare Auflösung des Füllstandswertes.
Ein schematischer Aufbau des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes, dass bei Radar-Frequenzen von mehr als 100 GHz arbeiten kann und die damit verbundenen Vorteile ausnutzt, ist in Fig. 2 gezeigt: Kern des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 ist ein Halbleiterbauteil 10, das je nach implementiertem Messprinzip (FMGW oder Puls-Laufzeit-Prinzip), entsprechende Hochfrequenz-Signale SHF, eHF mit Frequenzen bis zu 160 GHz oder mehr erzeugen bzw. verarbeiten kann. Bei Implementierung des FMGW-Prinzips wird das auszusendende Hochfrequenz-Signal SHF beispielsweise mittels eines Oszillators (zum Beispiel als „Voltage Controlled Oscillator“ ausgelegt), der per PLL („Phase Locked Loop“) geregelt ist, erzeugt. Zur Signalverarbeitung kann das Halbleiterbauteil 10 empfangsseitig einen Mischer zum Mischen des momentan auszusendenden Hochfrequenz-Signals SHF mit dem aktuell empfangenen Hochfrequenz-Signal eHF umfassen. Dies wird genutzt, um aus dem gemischten Signal in einem entsprechenden Schaltungsblock des Halbleiterbauteils 10 beispielsweise mittels einer FFT („Fast Fourier Transformation“) über die Frequenz des gemischten Signals die Entfernung d zum Füllgut 3 bzw. den Füllstand L ermitteln zu können.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Hochfrequenzbausteins 1 ist das Halbleiterbauteil 10 auf einer Leiterkarte 15 angeordnet. Über die Leiterkarte 15 erfolgt die Energieversorgung des Halbleiterbauteils 10 und auch etwaiger Datentransfer zur übergeordneten Einheit 4. Dadurch, dass die Erzeugung und Verarbeitung der Hochfrequenz-Signale SHF, CHF komplett auf dem Halbleiterbauteil 10 erfolgt, müssen zur Leiterkarte 15 keine Hochfrequenz-Signale geführt werden. Hierdurch entfallen verlustreiche, hybride Verbindungsleitungen.
Vom Halbleiterbauteil 10 werden die Hochfrequenz-Signale SHF beispielsweise über einen Primärstrahler (nicht explizit in Fig. 2 dargestellt) als Radar-Signale SHF in einen
Wellenleiter 1 1 a, b ausgekoppelt. Analog hierzu werden die im Behälter 2 reflektierten Radar-Signale EHF vom Wellenleiter 1 1 a, b in das Halbleiterbauteil 10 eingekoppelt. Hierzu kann der Primärstrahler bspw. als rechteckförmige Planar-Struktur ausgelegt sein, die auf derjenigen Seite des Halbleiterbauteils 10 angeordnet ist, die der Leiterkarte 15 abgewandt ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Wellenleiter 1 1 a, b in direktem Kontakt mit dem Halbleiterbauteil 10 steht, beispielsweise durch eine entsprechende Verklebung oder einen statisch vorherrschenden Anpressdruck.
Die Querschnittsform (bspw. kreisförmig oder rechteckig) und die Querschnitts- Abmessungen des Wellenleiters 1 1 a, b sind an die Frequenz bzw. die gewünschte Mode des auszusendenden/einzukoppelnden Radar-Signals SHF, RHF anzupassen. Bei rechteckiger Auslegung können die zwei Kantenlängen des Rechteckes bspw. so ausgelegt werden, dass sie ein Kantenlängen-Verhältnis von 2:1 aufweisen. Dabei kann die erste Kantenlänge jeweils mit einem Drittel der Wellenlänge des Hochfrequenz- Signals SHF, RHF bemaßt werden, die zweite Kantenlänge kann entsprechend mit 2/3 der Wellenlänge ausgeführt werden. Damit die Radar-Signale SHF, EHF innerhalb des Wellenleiters 1 1 a, b verlustarm geleitet werden, ist das Material des Wellenleiters im Hinblick auf die Dielektrizitätszahl entsprechend zu wählen. Da zur Wellenleitung eine Dielektrizitätszahl von mindestens ca. 1 ,5 vorteilhaft ist, bieten sich insbesondere HDPE oder PTFE als Material für den Wellenleiter 1 1 a, b an.
Sofern das Halbleiterbauteil 10 nicht als„Bare Die“ auf der Leiterkarte 15 angeordnet ist, ist die Kapselung des Halbleiterbauteils 10 so anzupassen, dass zwischen dem
Wellenleiter 1 1 a, b und dem Primärstrahler ein entsprechender wellenleitender Kontakt möglich ist. Es kann beispielsweise eine Vergusskapselung eingesetzt werden, bei der die Fläche des Primärstrahlers ausgespart ist. Somit kann das Halbleiterbauteil 10 beispielsweise als entsprechend modifiziertes DIP- {„Dual ln-line Package“) oder QFN- („ Quad Flat no Leads Package“) Bauteil konzipiert sein. Für eine vereinfachte Anbringung des Wellenleiters 1 1 a, b am Halleiterbauteil 10 ist es zudem denkbar, die Kapselung bezüglich des Primärstrahlers selbstzentrierend für den Wellenleiter 1 1 a, b auszulegen. Die Fixierung des Wellenleiters 1 1 a, b in Bezug zum Halbleiterbauteil 10 erfolgt bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 mittels einer Schirmung 16. Die Schirmung 16 ist dabei als Kappe ausgelegt und so auf der Leiterkarte 15 angebracht, dass sie das Halbleiterbauteil 10 auf der Leiterkarte 15 abdeckt. Zur Erzielung der Schirmungswirkung ist es erforderlich, zumindest die
Oberfläche des Schirmung 16 elektrisch leitfähig auszulegen. Dementsprechend kann die Schirmung 16 zum Beispiel komplett aus einem Metall gefertigt sein. Als Kappe könnte aber auch ein beschichtetes Plastiksubstrat eingesetzt werden, bei dem die metallische Beschichtung beispielsweise durch PVD („ Physical Vapor Deposition“) aufgetragen wird. Dadurch, dass die Schirmung 16 in der Achse des Wellenleiters 1 1 a, b eine
entsprechende Durchführung umfasst, übernimmt sie neben der Schirmung auch die Fixierung des Wellenleiters 1 1 a, b in Bezug zum Halbleiterbauteil 10.
Außerhalb des Schirmung 16 ist radial um den Wellenleiter 1 1 a, b eine Vergusskapselung 13 angeordnet. Erfindungsgemäß wird hierdurch der Wellenleiter 1 1 a, b so gekapselt, dass zwischen dem Wellenleiter 1 1 a, b und der Vergusskapselung 13 ein definierter Hohlraum 14 ausgebildet wird. Dabei ist die Vergusskapselung 13 so strukturiert, dass sie radial vom Wellenleiter 1 1 a, b ausgehend einen Abstand r von mindestens dem
Zweifachen der Wellenlänge der Radar-Signale SHF, EHF aufweist. Durch den Abstand r wird die Transmission der Radar-Signale SHF, EHF im Wellenleiter 1 1 a, b entscheidend erhöht. Strukturiert werden kann die Vergusskapselung 13 beispielsweise mittels eines entsprechenden Vergussbechers um den Wellenleiter 1 1 a, b herum, der die Struktur der Vergusskapselung 13 beim Vergießen definiert. In der dargestellten Ausführungsvariante umschließt die Vergusskapselung 13 außerdem die dem Halbleiterbauteil 10 abgewandte Fläche der Leiterkarte 15. Somit werden auch etwaige elektronische Bauteile auf der
Rückseite der Leiterkarte 15 gekapselt. Optional kann außerdem die Außenfläche 21 der Vergusskapselung 13, wie in Fig. 2 dargestellt ist, elektromagnetisch schirmend ausgelegt werden, um eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit zu erreichen. Denkbar ist hierbei wiederum, die Außenfläche der Vergusskapselung 13 beispielsweise durch PVD („ Physical Vapor Deposition“) metallisch zu beschichten. Alternativ kann hierzu auch ein separater, metallischer Vergussbecher eingesetzt werden.
Zum Aussenden der Radar-Signale SHF bzw. zum Empfang reflektierter Radar-Signale EHF mündet der Wellenleiter 1 1 a, b in einer Hornantenne 12.
Dabei befindet sich die Hornantenne 12 außenseitig am Gehäuse 17 des
Füllstandsmessgerätes 1 , in dem die Leiterkarte 15 mit dem Halbleiterbauteil 10, der Wellenleiter 1 1 a, b und die Schirmung 16 untergebracht sind. Zur Fixierung des
Wellenleiters 1 1 a, b zur Hornantenne 12 hin umfasst das Gehäuse 17 eine
entsprechende Durchführung 18 für den Wellenleiter 1 1 a, b. Wie in Fig. 2 angedeutet, kann auch diese Durchführung 18 so ausgelegt werden, dass der Wellenleiter 1 1 a, b bei der Montage automatisch zentriert wird.
Um das Innere des Gehäuses 17 hermetisch und druckbeständig gegenüber dem Inneren des Behälters 2 zu isolieren, ist zwischen dem Wellenleiter 1 1 a, b und Hornantenne 12 auf Höhe der Durchführung 18 ein Fenster 19 eingebracht, dass für die Radar-Signale SHF, EHF transparent ist. Es kann dementsprechend aus einem Glas oder einer Keramik gefertigt sein und beispielsweise per Kleben, Schweißen oder einem sonstigen aufschmelzenden Fügeverfahren fixiert werden. Vorzugsweise ist das Fenster 19 aus elektrisch nichtleidenden Material mit einem Dielektrizitätswert von größer als 1 gefertigt ist. Von der Stärke her ist das Fenster 19 außerdem idealerweise so auszulegen, dass es einem Absolut-Druck von mindestens 100 Bar standhält.
Um Ansatzbildung in der Hornantenne 12, und damit verbundene Leistungsminderung zu unterbinden, ist im gesamten Inneren der Hornantenne 12 eine Füllung 20 eingebracht. Dabei besteht die Füllung 20 aus einem elektrisch isolierenden Material. Aufgrund der Wirkung der Füllung 20 als Dielektrikum ist die Auslegung der Hornantenne 12 entsprechend an das Dielektrikum anzupassen. Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Führung der Radar-Signale SHF, EHF zwischen dem Halbleiterbauteil 10 und der Hornantenne 13 mittels des Wellenleiters 1 1 a, b ist, dass der Abstand zwischen der Leiterkarte 15 und der Hornantenne 12 bedarfsabhängig dimensioniert werden kann. Im Falle von Messanwendungen, bei denen im Behälter- Inneren hohe Tempertaren oberhalb von 100 C° vorherrschen, kann der Wellenleiter beispielweise mit einer Länge von bis zu 8 cm oder mehr bemaßt werden, so dass die elektronischen Komponenten auf der Leiterkarte entsprechend thermisch vom Klima im Behälter 3 entkoppelt werden.
Wie in Fig. 2 gezeigt, kann zum Zweck vereinfachter modularer Fertigung verschiedener Varianten des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 der Wellenleiter 1 1 a, b zweiteilig aufgebaut werden. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsvariante des Füllstandsmessgerätes 1 teilt sich der Wellenleiter 1 1 a, b daher auf Höhe der Schirmung 16 in ein erstes, dem Halbleiter 10 zugewandten Segment 1 1 a und ein zweites Segment 1 1 b auf, das der Hornantenne 12 zugewandt ist. Zwecks ungehinderter Transmission der Radar-Signale SHF, EHF entlang der resultierenden Kontaktstelle zwischen den
Segmenten 1 1 a, 1 1 b ist es von Vorteil, wenn die Segmente 1 1 a, 1 1 b zumindest durch einen statischen Anpressdruck miteinander in Verbindung stehen. Auch das Verkleben dieser Kontaktstelle mit einem für die Radar-Signale SHF, EHF transparenten Kleber ist möglich. Im Gegensatz zu der Darstellung in Fig. 2 kann der Wellenleiter 1 1 a, b alternativ mit einem gebogenen Verlauf, vorzzugsweise bei rechteckigem Querschnitt, konzipiert werden. Hierzu ist es im Rahmen der Fertigung vorteilhaft, wenn der Wellenleiter 1 1 a, b aus einem flexiblen Material hergestellt ist. Denkbar ist in diesem Zusammenhang, den Wellenleiter 1 1 a, b entlang seines Verlaufs um 90° zu biegen und die Hornantenne 12 entsprechend verkippt am Gehäuse 12 anzuordnen, um den gesamten Aufbau des Füllstandsmessgerätes 1 je nach Einbausituation am Behälter 2 so kompakt wie möglich auslegen zu können.
Bezugszeichenliste
1 Füllstandsmessgerät
2 Behälter
3 Füllgut
4 Übergeordnete Einheit
10 Halbleiterbauteil
1 1 a, b Wellenleiter
12 Antenne
13 Vergusskapselung
14 Hohlraum
15 Leiterkarte
16 Schirmung
17 Gehäuse
18 Durchführung
19 Fenster
20 Füllung
21 Elektromagnetisch schirmende Außenfläche der Kapslung d Entfernung
EHF Eingehendes Radar-Signal
h Einbauhöhe
L Füllstand
r Abstand
SHF Radar-Signal
SHF, eHF Hochfrequenz-Signale

Claims

Patentansprüche
1. Radar-basiertes Füllstandsmessgerät, umfassend:
Ein Halbleiterbauteil (10), das ausgelegt ist,
o um elektrische Hochfrequenz-Signale (SHF, OHF) ZU erzeugen und/oder zu empfangen, und
o um anhand von zumindest den empfangenen Hochfrequenzsignalen (eHF) einen Füllstandswert (L) zu bestimmen,
einen dielektrischen Wellenleiter (1 1 a, b), der derart mit dem Halbleiterbauteil (10) kontaktiert ist, um die Hochfrequenz-Signale (SHF) als Radar-Signale (SHF) in eine Antenne (12) einzukoppeln, und/oder um empfangene Radar-Signale (EHF) aus der Antenne (12) als elektrische Signale (eHF) in das Halbleiterbauteil (10) einzukoppeln, und
eine Vergusskapselung (13), die zumindest den Wellenleiter (1 1 a, b) radial derart kapselt, dass zwischen dem Wellenleiter (1 1 a, b) und der Vergusskapselung (13) ein definierter Hohlraum (14) ausgebildet ist.
2. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1 , wobei der Wellenleiter (1 1 a, b) mit einer Länge von zumindest 3 cm, insbesondere mehr als 8 cm, bemaßt ist.
3. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Kapselung (13) so ausgelegt ist, dass der Hohlraum (14) zwischen dem Wellenleiter (1 1 a, b) und der Vergusskapselung (13) einen Abstand (r) von mindestens dem Zweifachen der Wellenlänge der Radar-Signale (SHF, EHF) aufweist.
4. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend:
Eine Leiterkarte (15), auf der das Halbleiterbauteil (10) angeordnet ist, eine auf der Leiterkarte (15) innerhalb der Vergusskapselung (13) angebrachte elektromagnetische Schirmung (16) des Halbleiterbauteils (10), wobei die
Schirmung (16) den Wellenleiter (1 1 a,b) derart zum Halbleiterbauteil (10) hin (10) fixiert, so dass die Radar-Signale (SHF, EHF) in den Wellenleiter (1 1 a,b) bzw. in das Halbleiterbauteil (10) einkoppelbar sind.
5. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 4, wobei der Wellenleiter (1 1 a, b) derart zweiteilig ausgelegt ist, dass der Wellenleiter (1 1 a, b) im Bereich der Schirmung (16) in ein erstes Segment (1 1 a) und ein zweites Segment (1 1 b) untergliedert ist.
6. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: Ein Gehäuse (17), das zumindest das Halbleiterbauteil (10), den Wellenleiter
(1 1 a, b) und die Vergusskapselung (13) umschließt, wobei die Antenne (12) außerhalb des Gehäuses (17) befestigt ist, und
eine Durchführung (18) im Gehäuse (17), die den Wellenleiter (1 1 a, b) derart zur Antenne (12) hin fixiert, so dass die Radar-Signale (SHF, EHF) in die Antenne (12) bzw. in den Wellenleiter (1 1 a, b) einkoppelbar sind.
7. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wellenleiter (1 1 a, b) aus einem Isolationsmaterial mit einem Dielektrizitätswert von größer als 1 , insbesondere HDPE oder PTFE, gefertigt ist.
8. Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Vergusskapselung (13) die vom Halbleiterbauteil (10) abgewandte Fläche der Leiterkarte (15) kapselt.
9. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Außenfläche (21 ) der Vergusskapselung (13) elektromagnetisch schirmend ausgelegt ist.
10. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterbauteil (10) ausgelegt ist, die elektrischen Hochfrequenz-Signale (SHF) mit einer Frequenz von zumindest 100 GHz zu erzeugen bzw. nach Empfang entsprechende elektrische Hochfrequenz-Signale (eHF) zu verarbeiten.
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